金属有机框架在饮用水净化中的应用：消毒副产物的去除
学术背景
随着全球清洁水资源短缺问题的日益严重，饮用水净化技术的研究变得尤为重要。在饮用水处理过程中，氯化和二氧化氯消毒是常用的方法，虽然它们能够有效杀灭细菌和病毒，但也会产生一些有毒的副产物，如亚氯酸盐（ClO₂⁻）和氯酸盐（ClO₃⁻）。尽管这些化合物的毒性较低，但近年来的研究表明，长期暴露于这些副产物可能与慢性疾病和激素紊乱有关。因此，欧盟最近制定了饮用水中这些化合物的最大允许浓度标准，要求每升水中亚氯酸盐和氯酸盐的浓度不得超过0.25毫克。
目前，现有的技术在处理这些消毒副产物时存在诸多局限性，如复杂的实施和维护、高成本以及耐久性差等问题。因此，开发新的技术来有效去除这些副产物成为了当务之急。金属有机框架（MOFs）作为一种新兴的多孔材料，因其高比表面积、可调控的孔隙结构以及优异的吸附性能，近年来在废水处理领域展现出巨大的潜力。然而，MOFs在饮用水处理中的应用，尤其是针对亚氯酸盐和氯酸盐的去除，尚未有系统的研究。
论文来源
这篇论文由Gabriel Sanchez-Cano、Pablo Cristobal-Cueto、Lydia Saez等多位作者共同撰写，他们分别来自西班牙的Canal de Isabel II公司、IMDEA能源研究所、雷伊胡安卡洛斯大学等机构。论文于2025年4月10日发表在《Chem》期刊上，题为《Drinking Water Purification Using Metal-Organic Frameworks: Removal of Disinfection By-Products》。
研究流程与结果
1. 材料筛选与合成
研究首先筛选了四种不同的铁基MOFs材料，包括MIL-53-NH₂、MIL-88B、MIL-88B-NH₂和MIL-101-NH₂。这些材料均具有较高的水解稳定性和孔隙结构，适合用于水处理。研究人员通过溶剂热法合成了这些MOFs，并对其进行了X射线粉末衍射（XRD）和热重分析（TGA）等表征，确保其结构与预期一致。
2. 静态吸附实验
在静态吸附实验中，研究人员将合成的MOFs材料悬浮在含有不同浓度亚氯酸盐和氯酸盐的饮用水中，通过离子色谱（IC）和高性能液相色谱（HPLC）监测吸附效率和材料稳定性。结果表明，MIL-88B-NH₂表现出最佳的吸附性能，能够在15分钟内完全去除亚氯酸盐，并在高浓度条件下去除41.4%的氯酸盐。此外，MIL-88B-NH₂在吸附过程中表现出极高的稳定性，降解率低于1%。
3. 动力学研究
为了进一步了解吸附过程，研究人员对MIL-88B-NH₂进行了动力学研究。结果显示，亚氯酸盐的去除速度极快，1分钟内即可达到100%的去除率，而氯酸盐的吸附在5分钟内达到饱和，去除率约为30%。吸附动力学符合伪二级动力学模型，表明吸附过程主要受离子交换反应控制。
4. 连续流吸附实验
基于MIL-88B-NH₂的优异性能，研究人员设计了一个连续流吸附装置，模拟实际饮用水处理厂的操作条件。实验结果表明，该装置能够在3天内持续高效去除亚氯酸盐和氯酸盐，且材料在连续操作中保持稳定，降解率低于2%。此外，研究人员还通过简单的氯化钠溶液对吸附剂进行了再生，证明了系统的可重复使用性。
5. 分子模拟
为了深入理解吸附机制，研究人员进行了分子模拟，研究了MIL-88B和MIL-88B-NH₂结构中的水分子和盐分子的吸附行为。模拟结果显示，盐分子的存在显著增强了水分子在MOFs结构中的吸附，且氯酸盐和亚氯酸盐与MOFs骨架之间的静电相互作用是吸附过程的关键因素。
结论与意义
这项研究首次系统地探索了MOFs在饮用水处理中的应用，特别是针对亚氯酸盐和氯酸盐的去除。研究结果表明，MIL-88B-NH₂作为一种高效且稳定的吸附剂，能够快速去除饮用水中的消毒副产物，并且在实际操作条件下表现出良好的性能。通过连续流吸附装置的设计和再生实验，研究人员证明了MOFs在饮用水处理厂中应用的可行性。
这项研究的科学价值在于首次将MOFs应用于饮用水处理，为去除消毒副产物提供了新的解决方案。其应用价值则体现在MOFs材料的高效性、稳定性和可重复使用性，能够显著降低饮用水处理过程中的成本和复杂性。
研究亮点
- 高效吸附性能：MIL-88B-NH₂能够在极短时间内完全去除亚氯酸盐，并在高浓度条件下有效去除氯酸盐。
- 材料稳定性：MOFs材料在连续操作中表现出极高的稳定性，降解率低于2%。
- 连续流吸附装置：研究人员设计了一种连续流吸附装置，模拟实际饮用水处理厂的操作条件，证明了MOFs在实际应用中的可行性。
- 分子模拟：通过分子模拟，研究人员深入理解了吸附机制，为优化MOFs材料提供了理论依据。
这项研究为MOFs在饮用水处理中的应用开辟了新的方向，具有重要的科学和应用价值。